of 153 /153
0 UTCB- Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti Facultatea de Ingineria Instalaţiilor TEZĂ DE DOCTORAT Autor: ing. Răzvan Calotă Conducător ştiinţific: prof.dr.ing. Florea Chiriac Contribuţii la studiul maşinilor frigorifice cu absorbţie de amoniac - apă cu schimbătoare compacte acţionate cu energie solară

Chiller Absorbtieeee

Embed Size (px)

DESCRIPTION

aaaa

Text of Chiller Absorbtieeee

  • 0

    UTCB- Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti

    Facultatea de Ingineria Instalaiilor

    TEZ DE DOCTORAT

    Autor: ing. Rzvan Calot

    Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea

    Chiriac

    Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de

    amoniac - ap cu schimbtoare compacte

    acionate cu energie solar

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    1

    Cuvntnainte

    Aceast tez a fost realizat cu ajutorul nepreuit al unui colectiv de cadre didactice i

    personaltehnic.

    AdorisimulumescnprimulrnddomnuluiprofesorFloreaChiriac,pentrususinerei

    ndrumareiacruiexperiendeovia ndomeniul instalaiilorcuabsorbiest labaza

    realizriiinstalaieiexperimentaleanalizatnlucrareadefa.

    Mulumescdoamneiconf.AnicaIlieidomnuluiprofesorRobertGavriliucpentrupunerea

    ladispoziieacelordouinstalaiicareaufosttestatencadrultezeiprecumiasenzorilori

    echipamentelordemsur.

    Lemulumesc domnilor profesoriGabriel Ivan, LiviuDrughean,Dan Stnescu i Florin

    Bltreupentrusfaturiledatepeparcursulelaborriitezei.

    imulumesc doamnei Alina Girip pentru ajutorul acordat cu programul de simulare a

    proceselordininstalaie.

    insaducmulumiridomnuluierbandelaGalaiiechipeitrimisedednsul,domnilor

    AntoniNeacu,pentruajutorullarealizareamodificriiconstructiveainstalaiei.

    Le mulumesc colegilor de birou, doamnelor Rodica Dumitrescu iMdlina Nichita i

    domnului N.N. Antonescu pentru susinere i pentru rezistena la parfumul intens de

    amoniaccucareiamdelectatobunperioaddetimp.

    Mulumesc personalului tehnic format din domniiGheorgheMaftei,DumitruBurlacu i

    MarianTomacaremauajutatpermanentlamodificrileconstructiveimontareadiferiilor

    senzori,uneorichiarinweekend.

    Mulumescfamilieiiprieteneicareaufostalturideminepetotparcursulrealizriiacestei

    tezeiacrorimpulsurimauambiionatnmodconstant.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    2

    Context

    Lucrareadefasencadreazntendineleactualedeutilizarepescarlargasurselorde

    energieregenerabile,nscopulreduceriiconsumuluidecombustibilconvenionaliimplicit,

    adegajrilordegazececontribuielanclzireaglobal.

    ncadrultezeisedemonstreazposibilitateadesubstituireaarztoruluiacionatdegaz

    natural,dinschemafuncionalauneiinstalaiifrigorificecuabsorbie,cuunschimbtorde

    cldurcompact,alimentatdeapcaldpreparatntruncircuitdecaptatorisolariplani.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    3

    Cuprins:

    Notaii utilizate....5

    Lista figurilor...6

    Lista tabelelor..9

    Capitolul 1: Elemente generale10 1.1. Contextul internaional.. ...10 1.2. Situaia implementrii pe plan european a instalaiilor frigorifice cu absorbie acionate cu energie solar12 1.3. Situaia cercetrii n domeniul ce face obiectul tezei...17 1.4. Surse regenerabile de energie- energia solar; sisteme de captatori solari....23 1.4.1. Energia solar.23 1.4.2. Sisteme de captatori solari..26 1.5. Sisteme frigorifice cu sorbie- scurt istoric; Scheme de lucru; modaliti de utilizare a energiei solare....33

    1.5.1. Scurt istoric..33 1.5.2. Elemente generale privind alctuirea sistemelor frigorifice cu sorbie..34 1.5.3. Schema de lucru a mainii cu absorbie n soluie

    hidroamoniacal ce funcioneaz dup ciclul GAX36 1.5.4. Scheme de lucru ale mainii termice cu absorbie n soluie amoniac ap..37 1.5.5. Scheme de lucru ale mainii termice cu absorbie

    n soluie bromur de litiu ap..38 1.5.6. Schema clasic de implementare a mainilor frigorifice

    cu absorbie pentru climatizarea spaiilor cu ajutorul energiei solare..40

    1.6. Ageni frigorifici utilizai n sistemele frigorifice cu absorbie..42 1.7. Obiectul tezei de doctorat...46

    Capitolul 2: Modelarea teoretic a proceselor termodinamice n instalaia frigorific cu absorbie n soluie amoniac-ap ntr-o treapt.47

    2.1 Schema instalaei reale. Reprezentarea n diagram a proceselor....47 2.2 Calcul termic al instalaiei cu absorbie ntr-o treapt......52 2.3 Prezentarea softului utilizat pentru simularea funcionrii instalaiei......58

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    4

    Capitolul 3: Prezentarea modelului experimental....61 3.1 Prezentarea instalaiei de captatori solari..............................................................61 3.2.Prezentarea mainii frigorifice experimentale cu absorbie..................................66

    3.2.1 Amplasarea i realizarea instalaiei.........................................................66 3.2.2 Schema i instalaiei i descrierea funcionrii70 3.2.3 Reprezentare n diagram a proceselor....................................................72 3.2.4 Modelarea matematic a instalaiei experimentale..................................73

    Capitolul 4: Prezentarea i prelucrarea datelor obinute n urma cercetrilor experimentale...................................................................................................81 4.1 Senzori i aparatur de msur.............................................................................81

    4.2 Prezentarea i modelarea matematic a datelor.....................................................87 4.3 Compararea rezultatelor experimentale cu cele obinute

    n urma modelrii cu softul EES........................................................................113 4.4 Cercetri experimentale asupra sistemului de alimentare

    cu energie solar.................................................................................................117 4.5 Analiza economic..............................................................................................121

    Capitolul 5: Concluziile cercetrilor realizate i contribuii personale..123 5.1. Concluzii.............................................................................................................123 5.2. Contribuii avute la stadiul cercetrii n domeniu i propuneri de viitor...........................................................................................125

    Anexe A1. Date obinute n urma testelor efectuate asupra celor dou instalaii....127

    A2. Reprezentarea n diagram a proceselor....137 A3. Prezentarea programului de simulare a proceselor din instalaia cu absorbie.140 A4. Monitorizarea evoluiei temperaturilor i fluxurilor livrate din circuitul solar + cazan.144 A5.Factur gaze naturale...148

    Lista bibliografic149

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    5

    NOTAII UTILIZATE

    COP coeficient de performan, [-] cp cldura specific la presiune constant, [kJ/kgK] E puterea de emisie, [W/m2] emisivitatea, [-] f factor de circulaie, [ -] puterea diferitelor echipamente ale instalaiilor, [kW] h entalpia specific, [ kJ/kg] HI putere caloric inferioar, [kJ/Nm3] HS putere caloric superioar, [kJ/Nm3] k coeficient global de transfer de cldur, [W/m2K] l lucru mecanic specific, [ kJ/kg] conductivitatea termic, [W/mK] m masa, [kg] m& , Qm debit masic, [kg/s] P puterea electric, [ kW] p presiunea absolut , [bar] q& puterea specific, [kW/m2] R debit de refux, [kg/s] r reflux specific, [-] densitatea, [ kg/m3] s entropia specific, [kJ/kgK] S suprafaa, [m2] t, temperatura relativ , [C] T temperatura absolut , [K] v volum specific, [m3/kg] V& debit volumic, [ m3/s] w viteza, [m/s] x titlul vaporilor, [-] concentraia amoniacului n ap, [%] interval de degazare, [-]

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    6

    LISTA FIGURILOR

    Figura nr. 1: Situaia instalaiilor frigorifice cu absorbie utiliznd energia solar, pentru climatizare, n anul 2004

    Figura nr. 2: Evoluia recent a instalrii mainilor solare cu absorbie Figura nr. 3: Maini frigorifice cu absorbie n funcie de ageni frigorifici, putere

    frigorific i productor Figura nr. 4: Chillere cu absorbie produse de firmele Pink i Ago Figura nr. 5: Instalaie de panouri fotovoltaice, Cabana Geniana, Retezat Figura nr. 6: Instalaie cu absorbie n soluie amoniac-ap, Aerospace Center,

    Germania Figura nr. 7: Instalaie de absorbie n soluie amoniac-ap acionat solar, Univ.

    Delft Figura nr. 8: Ciclul frigorific al mainii frigorifice cu absorbie prezentate, realizat

    n programul Aspen Plus Figura nr. 9: Instalaie cu absorbie alimentat cu energie solar- 30 decembrie Figura nr. 10: Bilanul de energie al Pmntului Figura nr. 11: Harta intensitii radiaiei solare n Europa i n Romnia Figura nr. 12: Gradul mediu de nsorire n Bucureti Figura nr. 13: Spectrul electromagnetic cu evidenierea radiaiei termice Figura nr. 14: Rspndirea panourilor solare n Europa Figura nr. 15: Principiul de funcionare al unui panou solar tip beta Figura nr. 16: Elementele componente ale unui captator solar plan Figura nr. 17: Instalatie solara cu captatori parabolici Figura nr. 18: Instalaie cu panouri fotovoltaice- cldire Alaska Figura nr. 19: Schemele simplificate ale instalaiilor cu absorbie respectiv cu

    adsorbie Figura nr. 20: Schema mainii cu absorbie funcionnd dup ciclul GAX Figura nr. 21: Schema de lucru pentru maina termic ROBUR Figura nr. 22: Schema de lucru pentru maina termic cu absorbtie CARRIER Figura nr. 23: Schema de lucru pentru maina frigorific YAZAKI Figura nr. 24: Schema de principiu a unei instalaii de climatizare utiliznd energie

    solar Figura nr. 25: Diferite tipuri de ventiloconvectoare (de perete, tip duct, de plafon) Figura nr. 26: Structura moleculei de NH3 Figura nr. 27: Instalaia frigorific cu absorbie n soluie amoniac ap Figura nr. 28: Reprezentarea proceselor n diagrama h- -p Figura nr. 29: Reprezentarea proceselor n diagrama p- - Figura nr. 30: Bilantul energetic al vaporizatorului Figura nr. 31: Bilanul masic de amoniac al generatorului de vapori Figura nr. 32: Bilanul masic de amoniac al deflegmatorului

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    7

    Figura nr. 33: Bilanul energetic al deflegmatorului Figura nr. 34: Bilanul energetic al generatorului de vapori Figura nr. 35: Bilanul energetic al absorbitorului Figura nr. 36: Bilanurile energetice pentru condensator i pompa de soluie Figura nr. 37: Bilanul energetic al economizorului Figura nr. 38: Bilanul energetic al schimbtorului cu dublu rol Figura nr. 39: Exemplu scris n EES pentru rezolvarea ecuaiilor aferente unei

    instalaii cu absorbie Figura nr. 40: Dimensiuni constructive ale panoului HOVAL WK251 Figura nr. 41: Distana minim ntre dou rnduri de captatori Figura nr. 42: Poziionarea captatorilor solari Figura nr. 43: Rezervor stocare ap cald tip EnerVal, capacitate 4000 l Figura nr. 44: Aeroterma Galletti 43 Figura nr. 45: a. poziionarea schimbtorului de cldur cu plci cu rol de fierbtor b. realizarea legturilor de alimentare a fierbtorului cu ap cald Figura nr. 46: a. Instalaie cu absorbie cu fierbtorul acionat de un arztor, b.

    Instalaie modificat, la care schimbtorul de cldur anexat devine fierbtor

    Figura nr. 47: Schema instalaiei experimentale cu absorbie n soluie amoniac ap Figura nr. 48: Reprezentarea proceselor n diagrama entalpie concentraie Figura nr. 49: Bilanul energetic i de mas al fierbtorului Figura nr. 50: Bilanul energetic i de mas al fierbtorului iniial al instalaiei Figura nr. 51: Bilanul r energetic i de mas al rezervorului de soluie Figura nr. 52: Bilanul energetic i de mas al deflegmatorului Figura nr. 53: Bilanul energetic i de mas al preabsorbitorului Figura nr. 54: Bilanul energetic i de mas al condensatorului Figura nr. 55: Bilanul energetic i de mas al absorbitorului Figura nr. 56: Bilanul energetic i de mas al vaporizatorului Figura nr. 57: Bilanul energetic i de mas al pompei de soluie Figura nr. 58: Bilanul energetic i de mas al schimbtorului de cldur tip eav n

    eav Figura nr. 59: a. Poziionarea senzorilor de msur la instalaia acionat solar, b.

    Poziionarea senzorilor de msur la instalaia acionat de arztorul pe gaz

    Figura nr. 60: Aparat de achiziie a datelor, tip Almemo 5590 Figura nr. 61: Poziionare manometru tip Bourdon pentru msurarea temperaturii din

    deflegmator Figura nr. 62: Poziionare piranometru de radiaie total Figura nr. 63: a. Poziionarea senzorilor pe conduct, b. Afiaj digital al

    debitmetrului cu ultrasunete Figura nr. 64: a. Vedere din fa a instalaiei, b. Vedere lateral

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    8

    Figura nr. 65: Evoluia temperaturii soluiei srace la ieirea din fierbtor (instalaia pe gaz), respectiv rezervor de soluie (instalaia solar) i a soluiei bogate la ieirea din absorbitor (8 C)

    Figura nr. 66: Evoluia temperaturii vaporilor de amoniac i ap la ieirea din fierbtor (instalaia pe gaz), respectiv rezervor de soluie (instalaia solar) , i a vaporilor rectificai la ieire din deflegmator (8 C)

    Figura nr. 67: Evoluia temperaturii soluiei srace la ieirea din fierbtor (instalaia pe gaz), respectiv rezervor de soluie (instalaia solar) i a soluiei bogate la ieirea din absorbitor (10 C)

    Figura nr. 68: Evoluia temperaturii vaporilor de amoniac i ap la ieirea din fierbtor (instalaia pe gaz), respectiv rezervor de soluie (instalaia solar) , i a vaporilor rectificai la ieire din deflegmator (10 C)

    Figura nr. 69: Evoluia temperaturii soluiei srace la ieirea din fierbtor (instalaia pe gaz), respectiv rezervor de soluie (instalaia solar) i a soluiei bogate la ieirea din absorbitor (12 C)

    Figura nr. 70: Evoluia temperaturii vaporilor de amoniac i ap la ieirea din fierbtor (instalaia pe gaz), respectiv rezervor de soluie (instalaia solar) , i a vaporilor rectificai la ieire din deflegmator (12 C)

    Figura nr. 71: Valorile vitezelor aerului la refularea ventilatorului Figura nr. 72: Valorile temperaturilor aerului la refularea ventilatorului Figura nr. 73: Valorile temperaturilor aerului la refularea ventilatorului Figura nr. 74: Variaia COP-ului cu temperatura apei reci la ieire din vaporizator Figura nr. 75: Variaia puterii frigorifice cu temperatura apei reci la ieire din

    vaporizator Figura nr. 76: Variaia puterii condensatorului cu temperatura apei reci la ieire din

    vaporizator Figura nr.77: Variaia puterii fierbtorului cu temperatura apei reci la ieire din

    vaporizator Figura nr. 78: Comparaie ntre COP-urile celor 2 tipuri de instalaii, obinute pentru

    cele 3 regimuri de funcionare Figura nr. 79: Fereastra cu rezultatele obinute n urma rulrii programului scris n

    EES Figura nr. 80: Sistemul de preparare a apei fierbini de alimentare a fierbtorului

    mainii frigorifice Figura nr. 81: Monitorizarea temperaturilor din circuitul solar Figura nr. 82: Evoluia temperaturii apei la ieirea din rezervor timp de 24 ore Figura nr. 83: Componentele fluxului de cldur livrat fierbtorului instalaiei

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    9

    LISTA TABELELOR Tabelul nr. 1: Proprietile soluiilor NH3-H2O i H2O-LiBr Tabelul nr. 2: Caracteristici ale panoului HOVAL WK251 Tabelul nr. 3: Caracteristici funcionale ale instalaiei la funcionarea cu gaz Tabelul nr. 4: Radiaia solar total pentru un interval de o or Tabelul nr. 5: Centralizator pentru rezultatele obinute n cazul temperaturii apei

    rcite la ieire din vaporizator de 8 C Tabelul nr. 6: Centralizator pentru rezultatele obinute n cazul temperaturii apei

    rcite la ieire din vaporizator de 10 C Tabelul nr. 7: Centralizator pentru rezultatele obinute n cazul temperaturii apei

    rcite la ieire din vaporizator de 12 C Tabelul nr. 8: Comparaie ntre valorile obinute Tabelul nr. 9: Echipamente necesare modificrii constructive a instalaiei

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    10

    Capitolul 1. ELEMENTE GENERALE 1.1 Contextul international n ultimele decenii necesarul de energie la nivel global este tot mai mare. Numrul consumatorilor crete exponenial, noi instalaii i articole consumatoare de energie i fac an de an loc pe piaa.

    Dintre acestea- autoturisme, instalaii de nclzire, rcire i condiionare a aerului, electrocasnice, dispozitive de iluminat- toate au ceva n comun- pentru construcia i meninerea lor n funciune sunt eliberate n atmosfer cantiti foarte mari de gaze cu efect de ser.

    Conform statisticilor, ultimii 11ani, au fost cei mai torizi din anul 1850 pn n prezent. nclzirea global a determinat, printre altele, creterea nivelului mrilor, de la 1.8 mm/an la aproximativ 3 mm/an dup anul 1993, dar i creterea temperaturilor medii din emisfera nordic i topirea accentuat a ghearilor din Antarctica.

    Emisia gazelor cu efect de ser datorat activitilor umane a crescut ncepnd cu perioada preindustriala, dar marea explozie a acestor emisii a avut loc dup anul 1970, cnd nivelul a crescut cu 70%. Emisia dioxidului de carbon a crescut cu 80% din 1970 i pn n prezent, adic de la 21 la 38 de gigatone, reprezentand 77% din totalul gazelor terestre cu efect de ser.

    n ceeace privete substanele cu efect distrugator asupra stratului de ozon, s-a considerat c cele mai periculoase ar fi cloroflorocarburile (CFC), produse mai nti n Belgia, n 1892 i apreciate de ctre chimitii de la General Motors din SUA n 1928, ca fiind un agent frigorific eficient. Au fost utilizate , printre altele, ca ageni frigorifici pentru rcirea i condiionarea aerului, ca solveni, sterilizatori i ca fore motrice ale aerosolilor.

    Gradul nalt de stabilitate al CFC-urilor este cel care cauzeaz distrugerea stratului de ozon. Fiecare atom de clor poate distruge un numr estimat de 100.000 de molecule de ozon nainte de a fi indeprtat n stratosfer.

    Dintre aciunile ntreprinse pentru protejarea stratului de ozon, i desfurate de Programul Naiunilor Unite pentru Mediu (UNEP), cele mai importante sunt:

    - Conferina de la Viena, 1981, ce propunea un control viguros asupra folosirii de CFC, i a fost acceptata de 28 de ri n martie 1985;

    - Protocolul de la Montreal, 1987, care cerea parilor s fac reduceri de 50% din nivelurile de producie i de consum pentru CFC-urile cele mai importante. Prin amendamentele de la Copenhaga (1992), Viena (1995), Beijing (1999) s-au adugat programului etapizat de scoatere de pe pia, pn n anul 2050 substane cum ar fi: hidroclorfluorocarbonaii (HFCF), tetraclorura de carbon sau bromclormetan.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    11

    n martie 2007 statele membre ale Uniunii Europene s-au pus de acord s obin o reducere cu cel putin 20% din emisiile de gaze poluante pn n anul 2020, n comparaie cu nivelurile din 1990 i s creasc nivelul utilizrii surselor de energie regenerabile n Uniune cu pn la 20%.

    Scopul acestor planuri este de a lupta mpotriva schimbrilor climatice, limitnd vulnerabilitatea extern a Uniunii n ceeace privete importul de energie precum i de a promova n acest fel i noi locuri de munc.

    Pentru a indeplini aceste inte, Comisia European a adoptat un plan de aciune pentru realizarea unei eficiene energetice (EC 2006), care conine msuri pentru reducerea utilizrii energiei primare cu pn la 20% pn n anul 2020. Comisia European, prin propuneri de acionare asupra climei (EC 2008) stabilete inte n utilizarea surselor de energie regenerabile pentru fiecare stat membru al Uniunii.

    n ultimul timp, Uniunea European a crescut bugetul prevzut pentru proiectele legate de energie, n particular pentru programul Intelligent Energy Europe (IEE).

    IEE este programul suport al Comunitaii Europene pentru promovarea eficienei energetice i a surselor de energie regenerabile. Cea mai mare parte a bugetului prevzut este utilizat pentru granturi, prin call-uri pentru propuneri, pentru proiectele ale caror obiective se potrivesc cu cele ale Programului.

    Prima perioad a programului IEE, (IEE-1) a nceput n anul 2003 i s-a ncheiat n decembrie 2006 i a avut un buget de aproximativ 250 de milioane de euro. A fost susinut un numr mai mare de 400 de proiecte, nglobnd mai mult de 1300 de organizaii din Europa, i mare parte din aceste proiecte este nc n desfurare.

    A doua perioad a programului IEE, (IEE-2) a nceput n anul 2007 i se va sfrsi n anul 2013.

    Programul IEE-2 (2007-2013) este parte din programul mai larg de Competiie i Inovare. Obiectivele acestui program sunt:

    creterea eficienei energetice i utilizarea raional a resurselor energetice; promovarea surselor de energie noi i regenerabile i susinerea diversificrii

    modurilor de producere a energiei;

    promovarea i utilizarea surselor de energie regenerabil n transporturi. n cadrul acestor proiecte, toate activitile au un scop comun: s creasc cunostinele de pia asupra oportunitilor de economisire a energiei n cldiri i mijloacele de a realiza acest lucru. Activitile desfurate acoper diverse topicuri, de la aciuni int pentru a promova penetrarea pe pia a noului, tehnologii i materiale inovatoare pentru cldiri, pn la campanii la scara larga pentru a schimba strategiile operationale ale companiilor.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    12

    La summitul G8 din Gleneagles din anul 2005, liderii G8 au cerut Ageniei Internaionale pentru Energie (IEA) s realizeze studii asupra eficienei energetice n diferite domenii, inclusiv n cladiri, industrie i transport.

    IEA a fost solicitat s vin cu recomandri n ceeace privete mbuntirea eficienei energetice n fiecare din aceste sectoare. IEA i-a prezentat rezultatul studiilor la ntrunirile G8 din St. Petersburg din 2006 i Heligendamm din 2007.

    Cea mai mare parte din consumul de energie din cldiri este pentru cldirile rezideniale, iar la aceste cldiri, peste jumtate din consum se datoreaz nclzirii.

    Un mare potential pentru realizarea unei eficiene energetice prin mbuntiri este disponibil att la cldirile noi ct i la cele existente. Cldirile noi pot fi gandite i realizate astfel nct s aib un consum foarte mic de energie, n timp ce, pentru cldirile existente, se poate obine o reducere semnificativ a consumului de energie. n particular, este posibil s se reduc nevoia pentru nclzire iarna sau rcire vara.

    Studiile au artat c este posibil s se reduc consumul de energie pentru nclzire i rcire cu pn la 50%, aceasta fiind posibil prin aciuni de renovare i schimbri de echipamente.

    Casele pasive sunt cldiri care utilizeaz un consum sczut de energie i nu necesit sisteme de nclzire sau rcire traditionale pentru a obtine un nivel de confort interior. Locuintele pasive vor realiza n multe ri o economie de energie cu un procent de aproximativ 70% fa de locuinele nou-construite n sistem tradiional. Aceste tipuri de case au devenit atractive economic datorit costurilor reduse pentru sistemele de nclzire i rcire, un rol important al acestor sisteme, constituindu-l instalaiile frigorifice i pompele de cldur ce utilizeaz energia solar [14].

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    13

    1.2. Situaia implementrii pe plan european a instalaiilor frigorifice cu absorbie acionate cu energie solar Unul dintre cele mai importante proiecte din cadrul IEE este SOLAIR [50]. Proiectul are ca punct int rcirea cldirilor cu sisteme de puteri medii i mari, ce utilizeaz energia solar. Acest obiectiv poate fi atins utiliznd instalaii frigorifice cu absorbie, avnd fierbtorul acionat de un circuit cu ap nclzit de Soare i un consum foarte mic de energie electric.

    Proiectul SOLAIR, ncheiat n anul 2010, a cuprins mai multe faze, dintre care:

    analiza situaiei din Europa n ceeace privete instalaiile de condiionare a aerului; studiul celor mai importante instalaii de rcire ce utilizeaz energia solar; un studiu de pia pentru a observa posibilitatea de utilizare pe viitor a unor instalaii

    de climatizare acionate de energie solar n cldiri cu diferite destinaii.

    n Figura nr.1 se prezint situaia pe plan european din anul 2004, a instalaiilor frigorifice cu absorbie, utiliznd energia solar, conform bazei de date a proiectului respeciv.

    n urma studiului efectuat, a rezultat c, n prezent, rcirea cldirilor se realizeaz ntr-un procent covritor cu instalaii frigorifice cu compresie mecanic, ce au un consum important de energie, ns, ncepnd cu anul 2004, a nceput s se dezvolte i piaa de maini frigorifice cu absorbie.

    Din cldirile ce utilizeaz sisteme cu absorbie, cele mai multe sunt cldirile comerciale, urmate de cldirile de birouri i cele rezideniale.

    Figura nr. 1: Situaia instalaiilor frigorifice cu absorbie utiliznd energia solar, pentru climatizare,

    n anul 2004

    Dup anul 2004 aceste tipuri de instalaii au cunoscut o dezvoltare destul de important, n special n rile din sudul Europei, precum Spania, datorit economiilor de energie care se pot realiza.

    n Figura nr. 2 se arat evoluia n timp a implementrii n cldiri a instalaiilor solare cu absorbie de dimensiuni mici n funcie de puterea frigorific.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    14

    Figura nr. 2: Evoluia recent a instalrii mainilor solare cu absorbie

    Cel mai ntalnit cuplu de substane n instalaiile cu absorbie este bromura de litiu- ap. Ideea de utilizare a cuplului amoniac - ap n instalaii pentru climatizare este relativ nou, aceast soluie fiind utilizat pn acum, n special pentru instalaii de rcire industrial, cu scopul obinerii de temperaturi inferioare valorii de 0 C.

    Inclusiv n comer se poate observa c numrul productorilor de maini frigorifice cu absorbie cu BrLi - Ap este mult mai mare dect al celor care produc maini frigorifice cu amoniac. n Figura nr. 3 se pot observa mainile cu absorbie ntlnite pe pia, n funcie de productor i de puterea frigorific.

    Fig. 3. Maini frigorifice cu absorbie n funcie de ageni frigorifici,

    putere frigorific i productor

    Instalaiile de puteri mici ce utilizeaz amoniacul ca agent frigorific, cum este cea care face obiectul acestei teze, sunt produse de firme cum ar fi Robur i Pink, iar firma Ago produce instalaii de puteri mari.

    n Figura nr. 4 se prezint dou exemple de chillere cu amoniac produse de firmele Pink putere 14 kW i Ago putere 50 kW.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    15

    Figura nr. 4: Chillere cu absorbie produse de firmele Pink i Ago

    n cadrul rapoartelor proiectului SOLAIR s-au prezentat unele proiecte de instalaii frigorifice cu absorbie utiliznd energie solar din arile europene. Din exemplele date mai jos se poate observa faptul c sistemul este implementat cu succes n cldiri cu multiple destinaii cum ar fi: cldiri rezideniale, cldiri de birouri, depozite, fabrici, i chiar pivnie pentru pstrarea vinului la o anumit temperatur.

    Bachler Cldire de birouri din localitatea Grobming, Austria Aceast cldire are o suprafa de 700 m2 i este climatizat cu un chiller de putere 9 kW, produs de firma Pink, ce utilizeaz soluie amoniac-ap , acionat de captatorii solari cu o suprafa de 46 m2 i, suplimentar, un sistem de nclzire cu biomas. Panourile solare au o nclinaie de 45 fa de sud. Instalaia are trei rezervoare de stocare a apei, avnd volumul de 4,5 m3 fiecare, i este n funciune din anul 2007.

    Residence du Lac, Maclas, Frana cldire realizat pentru oameni retrai din activitate

    Suprafaa necesar a fi condiionat este de 210 m2 . Se utilizeaz un chiller cu absorbie de putere 10 kW cu soluie de bromur de litiu - ap. Panourile solare au o suprafa de 24 m2. Sistemul este prevzut cu un chiller cu compresie mecanic care intr n funciune n cazul unor avarii pe circuitul apei nclzite n panourile solare.

    GICB, Banyuls sur Mer, Frana pivni pentru pstrarea vinului n cazul acestei pivnie, s-a ajuns la concluzia c, temperatura interioar necesar pstrrii optime a vinului este influenat negativ de infiltraiile de cldur prin conducie, fiind necesar un sistem de climatizare.

    Pentru aceasta, s-a utilizat un chiller cu absorbie, cu soluie de bromur de litiu - ap, de putere frigorific 52 kW. Suprafaa climatizat este de 4500 m2, iar suprafaa captatorilor solari este de 130 m2.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    16

    Cldirea de birouri a IBA AG , Furth, Germania Cldirea respectiv este climatizat utiliznd ap rece de aproximativ 9 C produs de un chiller cu absorbie de putere 30 kW, funcionnd cu bromur de litiu - ap. Suprafaa climatizat este de 920 m2, iar suprafaa captatorilor solari este de 88 m2.

    Cldura este evacuat din maina frigorific printr-un circuit de ap legat la un turn de rcire.

    Fabrica din Bolzano, Italia n fabrica respectiv este necesar rcirea din luna iunie pn n septembrie. Suprafaa de rcit este de 400 m2 i acest lucru se realizeaz cu ajutorul unui chiller cu absorbie de putere 15 kW cu soluie amoniac - ap. Pentru realizarea apei calde se utilizeaz 150 m2 de captatori solari, nclinai la un unghi de 60 fa de sud. Sistemul auxiliar este compus dintr-un boiler nclzit cu gaz.

    Cldirea Fundaiei Cartif, Valladolid, Spania Condiiile meteorologice din zona n care se gasete cldirea prezentat, sunt caracterizate de ierni reci i veri toride. Intervalul de lucru n cldire este 07.00 - 15.00, rezultnd un necesar mai mare de energie dimineaa. Pentru climatizarea acestei cldiri este utilizat un chiller cu absorbie cu soluie de bromur de litiu - ap, de putere 35,2 kW, iar panourile solare ocup o suprafa de 37 m2.

    Pe lang SOLAIR, un alt proiect important axat pe subiectul acestei lucrri este MEDISCO- MEDiterranean food and agro- Industry applications of Solar Cooling technologies. Acest proiect este condus de Universitatea Politehnic din Milan, Italia i are ca scop rcirea laptelui proaspt muls din rile din sudul Mrii Mediterane, utiliznd instalaii cu absorbie cu soluie hidroamoniacal, acionate de energia solar.

    O instalaie de acest tip a fost instalat n Marrakech, Maroc n anul 2009. Colectorii solari sunt de tip parabolic, iar apa rece produs de chiller este trecut prin schimbtoare de cldur, unde preia cldura de la lapte, acesta fiind depozitat ulterior n rezervoare bine izolate [4].

    n anul 2009 s-a ncheiat proiectul Solar Cooling by Absorption in Tertiary Sector, condus de Universitatea din Sevillia i finanat de Corporaia Tehnologic din Andaluzia, Spania. Scopul proiectului, care a i fost atins, a fost demonstrarea potenialului energiei solare din zona respectiv, pentru a acoperi parial necesarul de frig i de cldur pentru cldiri din sectorul teriar. S-a utilizat un chiller n dou trepte de absorbie, cu bromura de litiu - ap, de putere 174 kW, iar captatorii solari folosii au fost de tip parabolic.

    Din exemplele date se observ un interes din ce n ce mai mare pentru utilizarea energiei solare n ultimii ani, n scopul climatizrii, sau rcirii unor fluide. Acest lucru este posibil prin vehicularea unui agent nclzit n circuitul de panouri solare printr-un chiller cu absorbie, rezultnd ap rece, utilizat apoi pentru rcirea aerului, sau pentru preluarea cldurii de la un agent secundar, ntr-un schimbtor de cldur.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    17

    Este de asteptat ca n urmtorii ani s se implementeze tot mai multe instalaii de acest tip, dat fiind impactul foarte sczut al acestora asupra mediului.

    n Romnia, pentru moment, energia solar este utilizat preponderent pentru prepararea apei calde menajere cu ajutorul panourilor solare termice i, mai puin, pentru obtinerea energiei electrice cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

    n ultimii 10 ani tot mai multe locuine, preponderent din zona Dobrogei, litoralul Mrii Negre, au optat pentru astfel de sisteme pentru prepararea apei calde menajere, dat fiind faptul c durata de amortizare a investiiei prezentat de producatori este de doar 6 ani.

    O dezvoltare important este ateptat i n ceeace privete implementarea sistemelor fotovoltaice pentru producerea energiei electrice. Cel mai important proiect are o capacitate de 32 de MW, este localizat n oraul Gtaia din judeul Timi, i este dezvoltat de patru firme locale. Companiile n cauz dispun de certificatul de urbanism pentru proiectul care se va ntinde pe o suprafa de 86 de hectare. n aceeai localitate se pun bazele unui alt parc solar, de 2,99 MW, dezvoltat de firma Iono Energy, pe o suprafa de 20 de hectare.

    Pe lng aceste proiecte cu puteri nominale ridicate, panourile fotovoltaice sunt utilizate i pentru acoperirea total sau parial a necesarului de energie electric pentru diferite construcii individuale cu destinaii variate. Un astfel de exemplu ar fi alimentarea cu energie electric prin aceast tehnologie a Cabanei Geniana din Munii Retezat (Figura nr. 5).

    Potrivit Transelectrica, cererea de energie din Romania se va dubla n urmtorii 20 de ani. De altfel, conform Strategiei Energetice a Romniei, potenialul solar al rii poate genera 1,2 TWh anual de electricitate, adic 2,5 % din consumul national actual. Vestul rii i Dobrogea sunt cele mai potrivite zone pentru astfel de investiii.

    Figura nr. 5: Instalaie de panouri fotovoltaice, Cabana Geniana, Retezat

    Este de ateptat ca i ara noastr s se alinieze tendinelor europene de utilizare ntr-o msur din ce n ce mai mare a surselor de energie regenerabile, iar, pe viitor, energia solar s fie utilizat tot mai mult pentru climatizarea spaiilor.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    18

    1.3. Situaia cercetrii n domeniul ce face obiectul tezei Referitor la climatizarea aerului cu ajutorul mainilor frigorifice cu absorbie n soluie amoniac-ap au fost realizate numeroase cercetri, dintre care o parte din cele mai recente sunt prezentate n cele ce urmeaz.

    n lucrarea Solar cooling, prof. Rainer Braun de la Universitatea tiinelor Aplicate din Gelserkirchen, din anul 2007,35, se prezint o analiz asupra a dou instalaii de rcire a aerului, utiliznd soluia hidroamoniacal.

    Prima instalaie are o capacitate de rcire de 20 kW i este cuplat la captatori solari cu tuburi vidate dispui pe o suprafa de 72 m2. Pe parcursul ncercrilor generatorul de vapori al chillerului cu absorbie a fost alimentat cu ap de 100 C, iar fluidul rcit a evoluat ntre parametrii -2/ 4 C. n cadrul articolului se prezint i o analiz economic din care reies avantajele utilizrii panourilor solare pentru prepararea apei fierbini, fa de prepararea acesteia utiliznd combustibili fosili.

    Cea de-a doua instalaie analizat este de putere frigorific foarte mic, de 1 kW i era iniial alimentat cu gaz. Instalaia a fost modificat constructiv astfel nct alimentarea generatorului de vapori s se realizeze cu ap nclzit n captatori solari, iar n urma calculului a rezultat faptul c, o suprafa de 6,5 m2 de captatori acoper necesarul de cldur.

    Datorit puterii i dimensiunilor foarte mici, este posibil realizarea circulaiei n aceast instalaie doar gravitaional. i n acest caz se prezint date care susin ideea implementrii unor sisteme acionate cu energie solar, n defavoarea celor clasice.

    Uli Jacob public n anul 2009 lucrarea Recent developments of small-scale solar or waste heat driven cooling kits for air conditioning and refrigeration, ca parte a cercetrii din cadrul Solar Next din Germania [39].

    Lucrarea prezint funcionarea a diverse aplicaii practice printre care i a unui chiller de putere 50 kW montat n Pforzhein, Germania n anul 2008. Acest chiller, cu soluie amoniac-ap i acionat de energie solar este prevzut cu un turn de rcire a apei ce preia cldura de la condensator i absorbitor i este destinat rcirii cartofilor.

    n cadrul lucrrii Solar cooling with an ammonia/water absorption chiller, M. Zetzche, T. Koller .a. din Institutul de Termodinamic Tehnic, Centrul Aerospaial din Germania se analizeaz funcionarea unui chiller de 10 kW n codiiile de alimentare cu ap nclzit n panouri solare dispuse pe o suprafa de 115 m2. Analiza prezentat se refer la o zi de funcionare i se prezint avantajele unui astfel de sistem, care, pentru situaiile n care nu se acoper necesarul de frig, este dublat de un rezervor n care se produce ghea.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    19

    n Figura nr.6 se prezint instalaia cu absorbie analizat n articolul de mai sus.

    Figura nr. 6: Instalaie cu absorbie n soluie amoniac-ap, Aerospace Center, Germania

    n ceeace privete cercetarea axat n particular pe tipul specific de instalaie ce face obiectul acestei teze, un proiect finanat de catre Netherlands Agency for Energy and Environment s-a desfurat la Universitatea Tehnic Delft din Olanda, ncepnd cu anul 2005. Un grup de cercettori, printre care C.I. Ferreira, DS.Kim, s.a, au modificat o instalaie tip pomp de cldur care iniial era acionat cu gaz, astfel nct s poat fi acionat de energie solar [19]. Acest lucru a fost posibil prin realizarea unui fierbator tip schimbtor de cldur multitubular, unde, n evi circul agentul nclzit de panourile solare, iar soluia amoniac-ap care fierbe, se scurge pelicular pe suprafaa acestor evi. n Figura nr. 7 este prezentat instalaia realizat la Delft.

    Figura nr. 7: Instalaie de absorbie n soluie amoniac-ap acionat solar, Univ. Delft

    Instalaia a fost testat la diferite temperaturi ale apei calde ce alimenteaz fierbtorul i la diferite concentraii ale amoniacului n ap. Concluzia a fost c, cea mai bun valoare a coeficientului de performan al instalaiei s-a obinut n condiiile unei temperaturi de 100 C a apei calde i a valorii mai ridicate de concentraie a amoniacului n ap.

    n articolul Ammonia-water absorption machines for refrigeration: theoretical and real performances, Lazzarin .a. din Universitatea din Padova, n anul 1996, prezint rezultatele cercetrilor efectuate asupra unei maini frigorifice cu absorbie de puteri mici, cu fierbtorul acionat de un arztor pe gaze naturale [31].

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    20

    Iniial, aceast instalaie a fost comercializat de firma Arkla, ce a fost preluat ulterior de firma italian Robur. n cadrul articolului se prezint o comparaie ntre rezultatele experimentale i cele calculate pentru diferii parametrii. Diferenele dintre rezultatele obinute , conform autorilor, se explic prin valoarea constant a ncrcrii mainii frigorifice, n timp ce simularea computerizat alege concentraiile potrivite pentru fiecare caz particular n parte.

    n anul 2003, lucrarea Experimental investigation of a vapor absorption refrigeration system realizat de Horuz .a. [26], se prezint o continuare a studiului nceput de Lazzarin. n urma ncercrilor efectuate asupra unei instalaii similare au fost concluzionate de ctre autori urmtoarele idei:

    - Pentru o temperatur de intrare a apei rcite n chiller cuprins ntre 12- 20 C, variaia debitului acesteia are un efect nesemnificativ asupra puterii frigorifice;

    - Pentru o temperatur de intrare a apei rcite n chiller cuprins ntre 6- 20 C, valoarea puterii frigorifice rmne aproximativ constant;

    - Odat cu scderea diferenei de temperatur ntre vaporizare i condensare, are loc o cretere a eficienei sistemului.

    N.A. Darwish .a. prezint n lucrarea Performance analysis and evaluation of a commercial absorption- refrigeration water-ammonia system, publicat n anul 2008, o comparaie ntre rezultatele obinute de Lazzarin i Horuz i cele date de o simulare n programul Aspen Plus, a funcionrii tipului respectiv de chiller [18]. Acest program de simulare prezint avantajul posibilitii de realizare a unei serii de module independente, care pot fi testate separat, i apoi integrate ntr-un circuit.

    Printre parametrii analizai sunt coeficientul de performan, puterile pentru principalele echipamente i concentraiile, rezultnd valori foarte apropiate de cele obinute de autorii de mai sus.

    n Figura nr. 8 se prezint ciclul frigorific al mainii analizate n cadrul acestei Teze, construit n programul Aspen Plus.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    21

    Figura nr. 8: Ciclul frigorific al mainii frigorifice cu absorbie prezentate,

    realizat n programul Aspen Plus

    La noi n ar au existat preocupri nc din anii 1980 pentru utilizarea energiei solare pentru alimentarea unei instalaii frigorifice cu absorbie n soluie amoniac- ap. Instalaia a fost realizat de un colectiv condus de prof. Florea Chiriac, la ferma din localitatea 30 decembrie i avea rolul de a produce ap rece pentru climatizarea spaiilor i ghea pentru congelarea alimentelor, cu ajutorul energiei solare. Instalaia a fost realizat n ntregime cu materiale de producie intern. n Figura nr. 9 este prezentat instalaia mpreun cu captatorii solari care o deservesc.

    n anii urmtori au fost date n folosin i alte instalaii similare, la Portia - cu rolul de a produce ghea pentru congelarea petelui - sau la Fabrica de Bere Rahova din Bucureti - cu rolul de a produce ap rece.

    Figura nr.9 Instalaie cu absorbie alimentat cu energie solar- 30 decembrie

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    22

    n prezent exist preocupri n direcia producerii frigului cu ajutorul energiei solare n toate centrele universitare importante.

    La Universitatea Transilvania din Braov se realizeaz dou instalaii frigorifice de acest tip, una de putere frigorific 150 kW i cea de-a doua de putere 60 kW. Instalaiile au ca scop climatizarea de confort a aulei Universitii respectiv a cldirii atrium a centrului de cercetare.

    Apa cald necesar n fierbtorul instalaiei este preparat ntr-un sistem bivalent constituit din captatori solari termici i cazan, iar pentru acionarea chillerelor cu comprimare mecanic au fost instalate panouri fotovoltaice.

    Un centru important de cercetare n domeniu este n cadrul Laboratorului INSIST al Facultii de Inginerie a Instalaii, unde colectivul coordonat de prof. Chiriac a participat la importante proiecte naionale, n urma crora au fost realizate numeroase instalaii cu scopul instruirii studenilor i a perfecionrii personalului.

    Unul dintre aceste proiecte poart denumirea Stand experimental pentru studiul i cercetarea proceselor termo hidraulice i a echipamentelor din sistemele frigorifice, de aer condiionat i pompe de cldur, contract nr. 14/2007, n cadrul PROGRAMULUI NAIONAL PN2, CAPACITI, condus de dna. conf. Anica Ilie. n cadrul acestui proiect a fost achiziionat o main frigorific cu absorbie n soluie bromur de litiu-ap, de putere frigorific 17 kW, ce poate fi acionat cu energie solar, precum i instalaia cu absorbie n soluie amoniac- ap ce a fost modificat constructiv ulterior, pentru realizarea testrilor din cadrul lucrrii de fa.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    23

    1.4. Surse regenerabile de energie - energia solar; sisteme de captatori solari 1.4.1. Energia solar

    Soarele reprezint o surs de energie inepuizabil, de care oamenii au tiut s se foloseasc din cele mai vechi timpuri.

    Astfel, n China, de pe timpul dinastiei Han, erau folosite oglinzi concave din cupru sau bronz care concentrau energia solar cu scopul de a aprinde lmpile sacre.

    n perioada Renaterii, Salmon de Caus din Frana a realizat un motor solar. Aerul era nclzit cu ajutorul energiei solare, i apoi, datorit diferenei de densitate, pompa ap n motorul realizat de el.

    n a doua jumtate a secolului al XVIII -lea au aparut cuptoarele solare. Unul dintre ele a fost realizat de ctre cercetatorul francez Antoine Lavoisier, i atingea temperaturi de pn la 1700 C. Cuptorul utiliza o lentil concentratoare de diametru 130 cm i o lentil secundar de diametru 20 cm.

    Cercetatorul elvetian Horace de Saussure este creditat cu realizarea primului captator solar, n anul 1767.

    ncepnd cu secolul al XIX -lea utilizarea energiei solare a cunoscut o dezvoltare important. Soarele contribuie la meninerea temperaturii planetei peste valoarea de 0 K, estimndu-se o durat a existentei radiaiei solare de nc 5 miliarde de ani.

    Soarele radiaz spre Pmnt o cantitate important de energie. El este considerat un corp negru absolut, are temperatura la suprafa de 5760 K i radiaz cu o putere de 1,6 107 W/ m2. Pn s ajung la suprafaa Pmntului, aceasta valoare este mult micorat de fenomenele de absorbie i mpratiere a acesteia n Spaiu. Radiaia solar i micoreaz valoarea pentru fiecare metru ptrat din Spaiu cu ptratul distanei strbtute. NASA a fcut parte dintr-un program de monitorizare a schimbrilor din mediul nconjurator i a distribuiei energiei solare.

    Figura nr. 10: Bilanul de energie al Pmntului

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    24

    n Figura nr. 10 se prezint o schem de distribuie a energiei solare, realizat n cadrul programului Mission To Planet Earth (MTPE).[48]

    Energia Soarelui ajunge la nivelul Pmntului ca radiaie electromagnetic, cu lungimi de und cuprinse ntre 0,1 m (raze X) i 100 m (unde radio).

    Circa 99% din energia radiat de Soare are lungimi de und cuprinse ntre 0,28 i 4,96 m, aa nct, n aplicaiile care utilizeaz Soarele ca surs de energie, aceast band de lungimi de und, este cea care prezint interes.

    Prin fenomenele de absorbie i difuzie intensitatea radiaiei solare se modific la trecerea prin atmosfer. Astfel, vaporii de ap i gazele ce formeaz atmosfera, absorb radiaia X i o parte din radiaiile ultraviolete. Radiaia absorbit este transformat n cldur, iar radiaia difuz este emis n toate direciile n atmosfer. Prin aceste procese, atmosfera se nclzete i produce la rndul ei, o radiaie cu lungime de und mare, denumit radiaie atmosferic.

    O parte din radiaia solar este reflectat de atmosfera terestr, sau de unele componente ale sale, cum ar fi anumite categorii de nori, fiind disipat, iar acest fenomen reprezint radiaia bolii ceresti. Acest mecanism poart numele de difuzie Rayleigh.

    Aproximativ 90% din radiaia primit de Pmnt din atmosfera vine de la o nalime mai mic de 90 m. De aceea, caracteristicile aerului de la nivelul solului sunt cele care determin, n mare parte, valoarea radiaiei primite de suprafaa Pmntului de la atmosfera nconjuratoare. Aceasta radiaie este dat de relaia (1):

    4, atmatmatme Tq = W/m2 (1)

    Radiaia global ajuns de la Soare, pe o suprafa orizontal la nivelul solului, ntr-o zi senin, reprezint suma dintre radiaia direct, ID i radiaia difuz , Idif unde, prima depinde de orientarea suprafeei receptoare iar cea de-a doua poate fi considerat aceeai, indiferent de orientarea suprafeei receptoare.

    Valoarea maxim pe care o poate avea energia termic unitar primit de la Soare, este msurat la nivelul suprafeei Pmntului, perpendicular pe direcia razelor solare, cnd cerul este perfect senin i lipsit de poluare, i n jurul prnzului.

    Radiaia solar este influenat i de parametrii urmatori:

    nlimea Soarelui pe cer (unghiul format de direcia razelor Soarelui cu planul orizontal);

    Unghiul de nclinare a axei Pmntului; Latitudinea geografic.

    Radiaia Solar Total, ET , care cade pe o suprafa de pe Pmnt, indiferent de orientarea ei, i sub un unghi de inciden , este dat de suma dintre:

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    25

    - componenta direct a radiaiei solare, normal pe suprafa, EDN cos , la care se adaug:

    - componenta difuz, EdN, venit din atmosfer, precum i - orice radiaie reflectat, cu lungime scurt de und, Er, de suprafeele nconjuratoare

    celei considerate:

    ET = EDN cos + EdN + Er , W/m2 (2)

    Potenialul de utilizare a energiei solare n Romnia, este relativ important, aa cum se observ n Figura nr. 10 [44]. Exist zone n care fluxul energetic solar anual, ajunge pn la 14501600 kWh/m2an, n zona Litoralului Marii Negre i Dobrogea ca i n majoritatea zonelor sudice.

    n majoritatea regiunilor rii, fluxul energetic solar anual, se gasete n jurul valorii de 12501350 kWh/m2an.

    Figura nr.11: Harta intensitii radiaiei solare n Europa i n Romnia

    Gradul mediu de nsorire, difer de la o lun la alta i de la o zi la alta, n aceeasi localitate. n Figura nr. 12 este prezentat nivelul mediu al insolaiei, reprezentnd cantitatea de energie solar care ptrunde n atmosfer i cade pe suprafaa pmntului, n municipiul Bucureti, [44].

    Figura nr. 12: Gradul mediu de nsorire n Bucureti

    Principalele componente ale radiaiei solare care ajung pe Pmnt sunt: - radiaie ultraviolet 3%; - radiaie vizibil 42%; - radiaie infraroie 55%.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    26

    Fiecrei componente a radiaiei, i corespunde cte o lungime de und: - radiaie ultraviolet 0,28 - 0,38 m; - radiaie vizibil 0,38 - 0,78 m; - radiaia infraroie 0,78 - 2,50 m .

    Poziionarea radiaiei solare pe spectrul electromagnetic este evideniat n Figura nr.13.

    Figura nr. 13: Spectrul electromagnetic cu evidenierea radiaiei termice

    Cea mai mare cantitate de energie termic se regsete n domeniul radiaiei infraroii i nu n domeniul radiaiei vizibile, iar aceast radiaie poate fi captat i n condiiile n care cerul nu este perfect senin. 1.4.2. Sisteme de captatori solari Conversia energiei solare n energie termic, este realizat cu ajutorul captatorilor solari, avnd funcionarea bazat pe diverse principii constructive. Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare n energie termic s fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, s fie ct mai corect realizat.

    n general, un captator solar plan este alctuit din urmtoarele pri componente:

    unul sau mai multe straturi de slicl, sau alt material care permite trecerea radiaiei solare;

    tuburi prin care circul fluidul de nclzit; plci absorbante, plane sau striate, pe care se monteaz tuburile;

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    27

    distribuitoare/colectoare pentru distribuia fluidului; izolaie termic, cu rolul de a minimiza pierderile de cldur din spatele i lateralele

    panoului solar, ctre mediul ambiant; caseta cu rol de protecie la praf, umiditate etc.

    Avantajele acestor captatoare de tip plan sunt: construcia simpl, costurile relativ sczute, absena componentelor mobile, uurina de reparare i durabilitatea, ca i capacitatea lor de a absorbi radiaia difuz, ceeace reprezint un avantaj deosebit, pentru zonele geografice cu climat ploios.

    Poziia captatorilor solari este definit prin dou unghiuri, i anume, unghiul de nclinare fa de orizontal, respectiv unghiul azimutului, reprezentnd orientarea fa de direcia sudului.

    Din cercetrile realizate pn n prezent rezult c unghiul de nclinare optim, este cuprins ntre 1555, iar abaterea de la direcia Sud, poate s se situeze ntre 40 fr a fi afectat capacitatea de captare a energiei solare.

    Valorile prea reduse ale unghiului de nclinare nu sunt recomandate deoarece favorizeaz murdarirea suprafeei captatorilor, ceeace atrage nrutairea performanelor optice ale captatorilor.

    Colectorii monati vertical, cu o abatere de pana la 20 fa de direcia Sud, pot recupera 80% din radiaia solar, lucru care sugereaz posibilitatea montrii acestora pe faadele cldirilor.

    Trebuie respectate anumite reguli principale la montarea panourilor solare:

    Panourile solare utilizate pentru a asigura nclzirea, n timpul iernii, se monteaz mai nclinate dect cele utilizate pentru a asigura climatizarea, n timpul verii.

    Panourile solare din sistemele de nclzire a apei, care trebuie s funcioneze eficient pe ntreg parcursul anului, se monteaz la un unghi de compromis, ntre valorile corespunzatoare optimului de var i optimului de iarn.

    Foarte important din punct de vedere a capacitii de captare a energiei solare, este tehnologia utilizat pentru construcia colectorilor solari, deoarece, n mod inevitabil, conversia energiei solare n energie termica se realizeaz cu unele pierderi, cum ar fi pierderi prin:

    convecie datorat vntului, ploilor i zpezii; pierderi prin convecie; pierderi prin conducie; radiaia suprafeei absorbante; radiaia panoului din sticl.

    Caracteristici fizice ale materialelor care intr n componena captatorilor solari au o mare importan n captarea eficient a radiaiei solare. Astfel:

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    28

    - Sticla - are capacitatea de a lsa s treac circa 90% din radiaia cu lungime scurt de und provenit de la Soare, i de a mpiedica, n mare msur, trecerea radiaiei cu lungime de unda mare, emise n exterior, de placa absorbant. Sticla cu coninut redus de fier are coeficient ridicat de transmitere a radiatiei solare: 0,85 pn la 0,9 pentru radiaia incident normal, provenit de la Soare; pentru radiaia termic cu lungime mare de und, cuprins ntre 5,0 i 50 m, emis de suprafeele ncalzite de Soare, coeficientul de transmitere al sticlei cu coninut redus de fier tinde la zero;

    - Peliculele din plastic i foile subiri din tabl au, de asemenea, coeficieni ridicai de transmitere a radiaiilor cu lungimi mici de und, provenite de la Soare. Acest coeficient este ridicat (pn la 0,40) i pentru o serie de benzi de lungimi de und aflate n mijlocul spectrului corespunztor radiaiei termice, ceeace constituie un dezavantaj. Sticla utilizat n general, pentru captatorii solari, poate fi simplu armat, cu grosimea ntre 2,2 i 2,5 mm, sau dublu armat, cu grosimea ntre 2,92 pn la 3,38 mm;

    - Plcile absorbante ale captatorului solar au rolul de a absorbi ct mai mult din radiaia termic, care a traversat straturile de sticl, i s minimizeze pierderile de cldur n sus, spre atmosfer, i n jos, prin spatele casetei. Plcile absorbante ale captatorului solar transfer cldura reinut de ele, fluidului de nclzit. Capacitatea lor de a absorbi cldura depinde de natura i culoarea acoperirii, ca i de unghiul de inciden. n urma tratamentelor electrolitice sau chimice se obin suprafee cu coeficieni de absorbie ridicai i cu emisivitate redus pentru radiaia cu lungime mare de und. Materialele cel mai frecvent utilizate pentru realizarea plcilor absorbante de radiaie termic provenit de la Soare sunt: cupru, aluminiu i oel. ntre plcile absorbante ale captatorului solar i tuburile prin care circul fluidul de nclzit trebuie asigurat un contact termic bun;

    - Izolaia termic adiacent plcii absorbante trebuie s reziste la temperaturi de pn la 200 C i, n plus, nu trebuie s degaje substane volatile la acest nivel de temperatur. Dintre materialele care ndeplinesc aceste condiii sunt: fibra mineral, fibra ceramic, spuma de sticl, spuma de plastic sau fibra de sticl. Aceasta din urma este cea mai ieftin i este frecvent folosit pentru captatorii solari.

    - Caseta captatorului, care nchide toate elementele componente, trebuie s fie solid din punct de vedere constructiv, rezistent la intemperii i rezistent la foc. Ea poate fi confecionat din: oel galvanizat sau vopsit, foi din aluminiu, sau diferite plastice, fasonate sau extrudate etc.

    n ceea ce privete rspndirea utilizarii energiei solare, n Europa, prin captarea acesteia de ctre panourile solare, pe primul loc se afla Germania, aa cum reiese i din analiza prezentat n Figura nr.14 [45].

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    29

    Figura nr.14: Rspndirea panourilor solare n Europa

    La sfritul anului 1989, n Romnia erau instalai peste un milion de metri ptrai de captatoare solare pentru ap cald menajer, ara noastr fiind a cincea din lume dup Australia, SUA, Israel i Grecia. Dup revoluie ns, majoritatea panourilor au fost demontate, iar producia intern de captatoare solare a intrat n declin, astzi, singurele panouri de producie integral romneasc fiind fabricate de IAICA Alexandria.

    Exist mai multe sisteme constructive de captatori solari termici:

    Panou solar tip beta; Panou solar tip alfa; Captatori solari plani; Captatori parabolici.

    Panoul solar cu tuburi termice tip beta, este folosit pe toat perioada anului, i se compune din:

    - tuburi cu vid; - colector - condensator; - suportul metalic; - reflector.

    Tuburile din sticl cu perei dubli, cu vid ntre ei, au o suprafa absorbant, iar n partea de jos au un strat, care menine vidul ntre pereii tubului. Aceste tuburi au n interior o conduct de cupru, n care se afl agentul termic. Datorit vacuumului, acesta vaporizeaz usor, vaporii avnd o micare ascendent, ctre partea superioar a conductei din cupru, a crei extremitate este splat de apa care urmeaz a fi ncalzit. Extremitatea conductei din cupru este fixat la un canal, cu rol de condensator-colector, prin intermediul unor garnituri.

    Condensatorul-colector este parcurs de apa care preia caldura de condensare de la vaporii de ap formai n tuburile termice. Pe suportul metalic al panoului solar sunt montate tuburile i condensatorul-colector. Poziia suportului, inclusiv a tuburilor poate fi modificat n raport cu suprafaa orizontal a acoperiului sub un unghi de pn la 45 grade.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    30

    Suprafaa reflectorizant a panoului solar, pe care sunt aezate tuburile, este realizat din tabl de oel inoxidabil, pentru a reflecta lumina i pe partea neexpus la soare a tuburilor, mrind suprafaa de absorbie.

    n Figura nr. 15 se prezint principiul de functionare al panoului solar tip beta.

    Figura nr. 15: Principiul de funcionare al unui panou solar tip beta

    Panoul solar cu tuburi termice tip alfa cu circulatie gravitaional, se compune din:

    - rezervorul de ap cald; - tuburi de sticl cu perete dublu cu vid; - suport metalic de prindere pentru rezervor i tuburi i suprafata reflectorizant; - vas de expansiune.

    Rezervorul este construit din oel inoxidabil cu perete dublu, iar ntre perei se afl material izolator termic - spum poliurethanic. Rolul este acela de a asigura un debit constant de ap ctre consumator.

    Tuburile din sticl cu perei dubli, cu vacuum ntre ei, au o suprafa absorbant, iar n partea de jos se afla un strat de culoare argintie, care rezist la temperaturi nalte i care absoarbe compuii CO, CO2, N2, O2, H2O, meninnd vid ntre pereii tubului. n interiorul tubului cu perete dublu circul apa de nclzit, ce comunic cu rezervorul. Panourile solare de acest tip sunt folosite numai pe perioada de primavar-toamn pentru producerea apei calde menajere, nlocuind practic funcionarea instalaiei de preparare a apei calde ce folosete combustibili convenionali .

    Vasul de expansiune are un volum de 10 l, este din oel inoxidabil cu perei dubli i are interiorul izolat termic cu spum poliurethanic. Vasul de expansiune are rolul de a prelua variaiile de nivel, atunci cnd apar variaii ale presiunii n circuitul consumatorului.

    Captatorul solar de tip panou plan este un construit din conducte din cupru, cu capacitate ridicat de absorbie a radiaiei termice i o suprafa suport, din tabl de aluminiu, gofrat prin ambutisare. Acest sistem asigur o foarte bun captare a radiaiei solare i o emisie redus a radiaiei termice. Apa de ncalzit preia cldura de la captator, prin evile de cupru.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    31

    Captatorul propriu-zis este montat ntr-o caset din aliaj AlMgSi 0,5, foarte bine izolat termic, cu vat de sticl caserat cu folie de aluminiu, n scopul minimizrii pierderilor de cldur ctre mediul exterior.

    Caseta captatorului este acoperit, la partea superioar, cu un geam special, transparent i rezistent la temperaturi ridicate. Acest geam este caracterizat printr-un coeficient ridicat de absorbie a radiaiei termice i printr-un coeficient redus de reflexie a acesteia.

    n Figura nr.16 este prezentat un captator solar plan i sunt evideniate elementele componente.

    Figura nr.16: Elementele componente ale unui captator solar plan

    Captatorii parabolici, spre deosebire de cei plani, pot nclzi agentul din circuit pn la temperaturi foarte ridicate, n jur de 200 C. Acest lucru este posibil prin utilizarea unor oglinzi concentratoare care se deplaseaz n funcie de poziia Soarelui pe cer i reflect radiaia ctre tuburi absorbante.

    Aceti captatori sunt utilizai pentru instalaiile de dimensiuni mari i industriale.

    n Figura nr.17 este prezentat o instalaie format din captatori parabolici. Instalaia este realizat n Sevilla, Spania. La partea superioar se pot observa tuburile absorbante asupra crora este concentrat radiaia solar.

    Figura nr.17: Instalaie solar cu captatori parabolici (Sevilla, Spania)

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    32

    Printre cei mai importani producatori de captatori solari din Europa se numar companiile: Viessmann, Hoval, Westech, Bosch, Buderus, Ferroli, Rehau sau Ariston.

    Un alt sistem de utilizare a energiei solare este acela cu panouri fotovoltaice. Acestea sunt elemente care produc energie electric pe baza energiei provenite de la Soare. Un astfel de panou este realizat din mai multe celule fotovoltaice, care, din punct de vedere fizic sunt nite diode de tip p-n cu suprafa mare, avnd jonciunea poziionat aproape de partea superioar. Celulele fotovoltaice sunt de mai multe tipuri, cele mai rspndite fiind cele policristaline, datorit preului sczut pe watt instalat. n prezent, panourile comercializate au un randament foarte sczut, n jur de 15 %, dar, ntruct aceast industrie este ntr-o continu dezvoltare se ateapt ca pe viitor acest randament s creasc semnificativ.

    Cel mai crescut randament al acestor tipuri de panouri se obine la temperaturi sczute. Un exemplu de instalaie cu panouri fotovoltaice este prezentat n Figura nr.18.

    Figura nr.18: Instalaie cu panouri fotovoltaice - cldire Alaska

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    33

    1.5. Sisteme frigorifice cu sorbie - scurt istoric; scheme de lucru; modaliti de utilizare a energiei solare 1.5.1. Scurt istoric Istoria dezvoltrii tehnicii de rcire este n strns legatur cu dorina de a realiza un anumit confort.

    Din inscripiile descoperite pn n prezent rezult c n anul 1700 i.e.n, n nordul Irakului de azi, se face referire la o aa numit cas de ghea.

    n secolul XI .e.n, un ritual al chinezilor consta n adunatul i depozitarea zpezii i apoi acumularea ei n pivnie izolate, cu scopul de a rci buturile. i pe timpul domniei lui Alexandru Macedon, n jurul anului 300 .e.n se aduna zpada n puuri adnci cu acelai scop. Deoarece condiiile din Egipt nu permiteau formarea natural a gheii, la acest popor a aprut un prim procedeu de producere a frigului artificial, bazat pe evaporarea forat a apei, cauzat de curenii de aer creai deasupra suprafeei apei prin agitarea unor evantaie.

    Romanii au folosit zpada i gheaa din Muntii Alpi pentru a depozita butura i mncarea.

    Apoi, o faz intermediar pn la nceputul revoluiei n domeniu ce a avut loc n secolul al XIX -lea, a fost introducerea unor sruri, cum ar fi nitrat de sodiu sau de potasiu n ap, cauznd scderea temperaturii acesteia. Din anul 1550 s-a folosit aceast metod cu scopul de a rci vinul. ncepnd cu anul 1600, n Frana se realiza rcirea buturilor rcoritoare i a lichiorurilor n ap coninnd salpetru (nitrat de potasiu) dizolvat.

    Anul 1755 - cnd William Cullen , profesor la Universitatea din Glasgow, a realizat un aparat de produs ghea artificial prin evaporarea apei la presiune scazut - poate fi considerat ca anul de natere al frigului artificial.

    n acea perioad era n vog transportul comercial al gheii, primul transport notabil fiind nregistrat ntre Canal Street din New York City pn la Charleston, din South Carolina n 1799. Cantitatea de ghea care a ajuns la destinaie a fost nensemnat.

    Cercetrile sistematice asupra lichefierii gazelor, datorate lui Michael Faraday, ncepnd cu anul 1823, ca i cercetarile de termodinamic care ncep n anul 1824 prin activitatea lui S. Carnot i se extind ntre anii 1842-1852, au fost hotrtoare n realizarea primelor utilaje frigorifice.

    Invenia din anul 1834 a mainii frigorifice cu compresie de ctre Jacob Perkins i pus la punct de J. Harrison, n 1856, este consecina direct a cercetarilor menionate anterior.

    n anul 1859 Ferdinand Carre a realizat o main frigorific cu absorbie n soluie ap-amoniac, ce folosea apa ca agent frigorific i acidul sulfuric ca mediu absorbant.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    34

    n anul 1867 Ferdinand Carre utilizeaz amoniacul ca agent frigorific, iar n anul 1870 mpreun cu Carl von Linde perfecioneaz instalaia cu compresie mecanic pentru utilizarea pe scar industrial.

    Prima main frigorific cu absorbie n soluie ap-amoniac n mai multe trepte a fost construit n anul 1913 de catre E. Altenkirch.

    n Romnia primul frigorifer a fost realizat de firma Linde ntre anii 1942-1943.

    Odat cu aciunea de industrializare a rii, a nceput s se dezvolte i tehnica frigului, realizndu-se mai multe depozite frigorifice de stocaj, la temperaturi cuprinse ntre -18... -22 C, i a crescut spaiul rcit din cadrul fabricilor de produse lactate, abatoare sau fabrici de bere.

    n orae cum ar fi Craiova, au aprut instalaii cu turbocompresoare, prin absorbie sau ejecie, cu puteri foarte mari, de peste 10 MW fiecare.

    Treptat, n activitatea social-cultural, frigul a cptat o larg utilizare n cadrul proceselor de condiionare a aerului n slile de teatru, cinema sau hoteluri, realizndu-se i primele patinoare artificiale.

    Dintre intreprinderile specializate n construcia i montajul echipamentelor frigorifice, cele mai importante sunt Frigotehnica Bucureti i Frigidere Geti. 1.5.2. Elemente generale privind alctuirea sistemelor frigorifice cu sorbie n categoria instalatiilor frigorifice cu sorbie sunt cuprinse instalaiile de producere a frigului functionnd cu ageni care n stare de vapori i n anumite condiii fizice sunt dizolvai de un lichid formnd o soluie, sau sunt fixai de un corp solid poros, urmnd ca apoi, n alte condiii fizice, s fie separai, respectiv degajai.

    Similar cu instalaiile frigorifice cu comprimare mecanic, producerea frigului se realizeaz prin schimbul de cldur dintre agentul frigorific care fierbe la o temperatur sczut, i mediul rcit. ns, readucerea agentului la condiiile de stare iniial, nu mai are loc prin comprimarea vaporilor reci de agent ntr-un compresor mecanic, ca la instalaiile cu comprimare mecanic, ci cu ajutorul unui ansamblu de aparate, funcionnd ca un compresor termic.

    n maina frigorific cu absorbie se utilizeaz un amestec binar de substane.

    Solutiile binare sunt soluiile realizate dintr-un amestec de doi componeni. ntr-unul din componeni, denumit solvent sau absorbant se produce dizolvarea celuilalt, numit, dizolvat, solvit, sau agent de lucru.

    n cazul instalaiilor frigorifice cu absorbie n soluie hidroamoniacal, absorbantul este apa iar amoniacul reprezint agentul de lucru.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    35

    Procesul termic prin care se formeaz soluia poart numele de dizolvare. Cei doi componeni ai amestecului se pot separa, n anumite condiii de presiune i temperatur, prin introducerea sau evacuarea de energie termic.

    Starea termodinamic a soluiilor se definete cu utilizarea mrimii concentraie a unui component n amestec, de cele mai multe ori lundu-se n considerare agentul de lucru, deoarece se prezint n cantitate mai redus.

    Elementele componente principale ale unei instalaii frigorifice cu sorbie sunt:

    Absorbitorul unde este absorbit debitul masic de vapori de amoniac n debitul masic de soluie diluat n amoniac. Prin absorbia vaporilor de amoniac, soluia iniial srac n amoniac devine bogat.

    Pompa de soluie asigur circulaia debitului masic de soluie concentrat preluat din absorbitor, ridicndu-i presiunea pn la valoarea din fierbtor (generator de vapori).

    Fierbtorul unde soluia bogat n amoniac fierbe pe seama fluxului de cldur cedat de agentul nclzitor.

    Ventilul de laminare a soluiei Condensatorul, unde vaporii concentrai n amoniac, provenii din compresorul

    termochimic condenseaz. Ventilul de reglare (VR), unde agentul frigorific, este destins de la presiunea de

    condensare pn la cea din vaporizator. Vaporizatorul (V) realizeaz efectul frigorific al instalaiei prin rcirea fluidului

    intermediar, venit de la consumatorul de frig pe seama vaporizarii agentului frigorific.

    n Figura nr.19 sunt prezentate schemele simplificate ale instalaiilor cu sorbie.

    Figura nr. 19: Schemele simplificate ale instalaiilor cu absorbie, respectiv cu adsorbie

    Cele mai rspndite maini frigorifice cu sorbie sunt cele cu absorbie. Efectul de rcire se bazeaz pe vaporizarea agentului frigorific n vaporizator, la presiune joas. Agentul frigorific n stare de vapori ajunge n absorbitor, unde se realizeaz absorbia n soluia de

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    36

    concentraie sczut n agent frigorific. Acest echipament trebuie rcit de un agent extern. Soluia e pompat n fierbtor, unde fierbe, la presiune nalt, pe seama cldurii cedate de un agent provenit din exterior. Se vor degaja vaporii de agent frigorific, care, mai departe se vor lichefia n condensator, cednd cldura unui agent de rcire i apoi, condensul va ajunge prin intermediul unui ventil de reglaj napoi n vaporizator.

    n cazul sistemelor cu adsorbie se utilizeaz materiale solide ca absorbani. Majoritatea instalaiilor frigorifice disponibile pe pia utilizeaz apa ca agent frigorific i silicagelul. Aceste maini consist din dou compartimente de sorbie, un vaporizator i un condensator. Silicagelul este regenerat n primul compartiment prin utilizarea apei fierbini de la o surs exterioar cum ar fi o instalaie de colectori solari n timp ce, n al doilea compartiment, adsoarbe vaporii de ap provenii din vaporizator. Pentru o adsorbie continu, acest compartiment trebuie s fie rcit. Pn n prezent aceste tipuri de maini sunt fabricate doar de anumii productori din Asia.

    n cele ce urmeaz sunt prezentate diferite scheme de lucru a mainilor frigorifice cu absorbie, utilizate la mainiile comercializate pe pia, cu specificarea posibilitilor de utilizare a energiei solare, unde este cazul. 1.5.3 Schema de lucru a mainii cu absorbie n soluie hidroamoniacal ce funcioneaz dup ciclu GAX

    Ciclul GAX reprezint o modalitate eficient de obinere a unor performane termodinamice ridicate cu o schem de funcionare care se aseamn foarte mult cu o main de absorbie ntr-o singur treapt. Termenul GAX reprezint o abreviere a cuvintelor din limba englez Generator Absorber eXchange i semnific schimbul de cldur dintre generatorul de vapori i absorbitor. Acest termen este foarte ntlnit n literatura de specialitate, 17.

    Schema de funcionare este prezentat n Figura nr.20.

    Figura nr.20: Schema mainii cu absorbie funcionnd dup ciclul GAX

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    37

    Ciclul GAX poate fi considerat un ciclu cu dublu efect, deoarece o parte din cldura produs n absorbitor este utilizat pentru nclzirea generatorului de vapori. Astfel, soluia bogat rezultat n absorbitor este recirculat n ultima parte a acestui echipament pentru a prelua cldura rezultat n urma procesului exoterm de absorbie. Efectul benefic const n faptul c soluia bogat va fi prenclzit nainte de intrarea n generatorul de vapori, i astfel va scdea puterea necesar n acest echipament. Ca o consecin, va rezulta o eficien mai bun pentru ciclul GAX, n comparaie cu ciclurile clasice de absorbie. 1.5.4. Scheme de lucru pentru mainile termice cu absorbie n soluie amoniac - ap n Figura nr. 21 este prezentat schema de lucru pentru o instalaie cu absorbie tip ROBUR.

    Figura nr.21: Schema de lucru pentru maina termic ROBUR

    Particularitatea acestei scheme este reprezentat de echipamentul numit preabsorbitor.

    Fierberea soluiei bogate n amoniac are loc n fierbtorul (generatorul de vapori) al instalaiei acionat de cldura cedat de flcara produs de un arztor functionnd pe baz de gaze naturale. n generatorul de vapori ajunge i refluxul lichid de amoniac i ap din deflegmator. ntruct amoniacul are punctul de fierbere mult mai sczut dect al apei, se vor degaja vaporii de amoniac din soluie precum i o cantitate mai mic de vapori de ap, i va rezulta o soluie srac n amoniac.

    Vaporii vor ajunge n deflegmator sau rectificator unde va avea loc procesul de mbogaire cu amoniac, prin condensarea vaporilor de ap pe serpentina acestui schimbtor de cldur. Vor rezulta vapori de amoniac de concentraie ridicat.

    n continuare vaporii de amoniac intra n condensatorul instalaiei unde condenseaz cednd cldura latent aerului exterior prin intermediul unui ventilator. Lichidul intr ntr-un

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    38

    schimbtor de cldur tip eav n eav, unde se va rci pe baza cldurii sensibile cedate vaporilor reci de amoniac cu care circul n contracurent, i apoi va suferi un proces de laminare ntr-o diafragm, cu scopul de a fi adus la valoarea presiunii din vaporizator.

    n vaporizatorul instalaiei, condensul preia cldura de la apa de rcire i pe baza acestei clduri vaporizeaz, rezultnd vapori reci de amoniac. Aceti vapori se vor nclzi prelund cldura de la condens, i apoi vor fi trimii n preabsorbitorul instalaiei.

    Din generatorul de vapori, soluia srac n amoniac este laminat printr-o diafragm, cu scopul scderii presiunii pn la valoarea din preabsorbitor, i apoi este pulverizat peste vaporii de amoniac n acest echipament.

    Soluia prebogat rezultat va fi introdus prin dou circuite n absorbitorul instalaiei rcit cu aer pentru o mai bun distribuie i va rezulta soluie bogat n amoniac.

    Soluia bogat va fi stocat ntr-un rezervor tampon de unde se va alimenta pompa de soluie bogat. Dup refularea pompei, soluia va fi trecut prin serpentina deflegmatorului instalaiei i apoi prin serpentina preabsorbitorului, rezultnd n final o soluie bogat n amoniac.

    n ciclul de funcionare a acestei maini se poate face o modificare, astfel nct soluia bogat n agent frigorific s fiarb ntr-un schimbtor de cldur pe seama cldurii cedate de un amestec ap-etilenglicol, nclzit ntr-un circuit cu panouri solare. 1.5.5. Scheme de lucru ale maininilor frigorifice cu absorbie n soluie bromur de litiu - ap Pentru masina termic prezentat, seciunea de fierbere este format dintr-un generator de joas temperatur i un generator de temperatur nalt. Vaporii de agent frigorific sunt utilizai pentru nclzirea soluiei de bromur de litiu-ap din generatorul de joas temperatur unde presiunea, deci i temperatura punctului de fierbere sunt mai sczute.

    Vaporii de agent frigorific produi de generatorul de joas temperatur sunt condensai n condensatorul mainii, iar vaporii produi de generatorul de nalt temperatur condenseaz cednd cldura soluiei intermediare de bromur de litiu-ap n evile interioare din generatorul de joas temperatur. Cele dou cantiti de condens se amestec n condensatorul instalaiei nainte de intrarea n vaporizator.

    Maina frigorific tip Carrier Sanyo mbuntete ciclul clasic de absorbie n dou trepte prin prezena unor schimbtoare de cldur suplimentare, cu rol de economizoare, pentru a recupera din energia disponibil i a mri COP-ul instalaiei. La ieirea din absorbitor, soluia srac n agent frigorific trece prin schimbtorul de cldur de joas temperatur unde se nclzete pe seama cldurii cedate de soluia concentrat. Apoi, soluia srac trece prin schimbtorul de cldur de temperatur nalt unde este nclzit n continuare, de ctre

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    39

    soluia intermediar. Pe de alt parte, datorit rcirii soluiei bogate n agent frigorific n procesul descris mai sus, se realizeaz o mai bun absorbie n absorbitorul masinii. n Figura nr.22 este prezentat schema de lucru pentru o instalaie cu absorbie tip CARRIER.

    Figura nr.22: Schema de lucru pentru maina termic cu absorbtie CARRIER

    Ciclul acestei maini termice cu absorbie se realizeaz n vacuum, astfel soluia de bromur de litiu-ap poate fierbe la temperaturi sczute. n Figura nr. 23 se prezint ciclul unei maini termice cu absorbie de producie YAZAKI, cu generatorul prevzut pentru a fi acionat cu ap nclzit ntr-un sistem solar.

    Figura nr. 23: Schema de lucru pentru maina frigorific YAZAKI

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    40

    Aceast main este acionat de apa cald provenit de la un circuit de captatori solari, cu rol de agent de nclzire, avnd temperatura cuprins ntre 60 ... 95 C. Apa de rcire preia cldura de la absorbitorul i condensatorul instalaiei i apoi este vehiculat printr-un turn de rcire.

    n generatorul de vapori ajunge soluia bogat n ap, iar cu ajutorul apei calde nclzite solar, aceasta fierbe, degajndu-se vapori de ap. Vaporii ajung n condensatorul instalaiei, sunt condensai, laminai pn la presiunea sczut din grupul vaporizator-absorbitor, i apoi vaporizeaz la temperatur sczut n vaporizatorul instalaiei. n acest proces condensul preia cldura latent de vaporizare a apei de la circuitul de ap rcit. Vaporii de ap rezultai sunt absorbii n soluia srac n ap provenit din generatorul de vapori, i care a fost rcit n prealabil ntr-un schimbtor de cldur. n urma procesului de absorbie care are loc n absorbitor rezult soluie bogat n ap, care este pompat prin schimbtorul de cldur, unde se prenclzete, i apoi este trimis n generatorul de vapori, unde circuitul se reia.

    1.5.6. Schema clasic de implementare a mainilor frigorifice cu absorbie pentru climatizarea spaiilor cu ajutorul enegiei solare n Figura nr.24 se prezint schema clasic de lucru pentru climatizarea spaiilor.

    Primul pas, atunci cnd se dorete implementarea unui sistem de climatizare a unei cldiri, este evaluarea necesarului de rcire. n funcie de acest necesar se va determina puterea mainii frigorifice, i se vor alege mainile frigorifice potrivite.

    Mainile cu absorbie utilizate n scopul climatizrii spaiilor au generatorul de vapori alimentat cu ap cald provenit dintr-un rezervor de acumulare. Apa din rezervor este nclzit bivalent, att de un circuit cu panouri solare ct i de un circuit secundar de nclzire care este reprezentat de un cazan alimentat cu combustibil lichid sau gazos.

    Suprafaa ocupat de captatorii solari se determin n funcie de intensitatea radiaiei solare din zona unde este montat instalaia si de parametrii de lucru ai mainii frigorifice cu absorbie.

    Schimbul de cldur ntre apa din rezervor i amestecul din circuitul solar cel mai des ap cu etilenglicol se realizeaz ntr-un schimbtor de cldur cu plci.

    Apa rece produs n vaporizatoarele instalaiilor cu absorbie este trimis n unitaile de climatizare de la diferitele niveluri ale cldirii.

    Apa de rcire a condensatoarelor circul ntr-un sistem cu turn de rcire. Datorit pierderilor mari de agent prin evaporare este necesar o legtur pentru completarea periodic a apei de rcire.

    Pentru cazurile n care presiunea crete prea mult, n cadrul instalaiei se prevede un vas de expansiune nchis.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    41

    Figura nr. 24: Schema de principiu a unei instalaii de climatizare utiliznd energie solar

    Ulterior preparrii apei rcite n vaporizatoarele instalaiilor frigorifice cu absorbie, se pune problema echipamentelor ce vor realiza climatizarea unor spaii, utiliznd aceast ap rcit.

    Echipamentele utilizate n acest scop sunt ventiloconvectoarele, care realizeaz rcirea aerului dintr-o ncpere pe baza cldurii cedate apei rcite provenit de la maina frigorific. Avantajul acestor echipamente este c pot fi utilizate pentru nclzirea aceleiai ncperi, n sezonul rece. Elementul principal al unui ventiloconvector este bateria schimbtoare de cldur, realizat din mai multe serpentine de cupru prevzute cu aripioare de aluminiu, pentru intensificarea transferului de cldur. Alte elemente sunt: carcasa, filtrul de aer, ventilatorul, tava de condens i sistemul de automantizare.

    Ventiloconvectoarele se pot monta n diferite moduri, n poziie vertical lng un perete sau sub o fereastr sau orizontal n spaiul dintre tavanul fals i planeul de beton al ncperii. Ca principiu de funcionare, aerul este aspirat din ncpere de ventilator, este filtrat. Strbate bateria cu aripioare n care cedeaz cldur apei rcite provenit de la maina frigorific i apoi este refulat napoi n ncpere.

    Exist mai muli productori a acestor echipamente, cum ar fi: Ferroli, Trane, Daikin, Gea, .a. care le comercializeaz pe diferite modele, cu mai multe trepte de funcionare i cu puteri cuprinse ntre 7000 i 30.000 BTU/h.

    n Figura nr. 25 se pot observa cteva tipuri constructive de ventiloconvectoare comercializate n prezent.

  • Contribuii la studiul mainilor frigorifice cu absorbie de NH3-H2O cu schimbtoare compacte acionate cu energie solar

    Autor: ing. Rzvan Calot Conductor tiinific: prof.dr.ing. Florea Chiriac

    42

    Figura nr. 25: Diferite tipuri de ventiloconvectoare (de perete, tip duct, de plafon)

    1.6. Ageni frigorifici utilizai n sistemele frigorifice cu absorbie

    Pentru ca o main frigorific s funcioneze, ea trebuie s schimbe cldur, conform Principiului al II-lea al Termodinamicii, cu dou surse aflate la temperaturi diferite, denumite sursa cald i sursa rece.

    Transportul cldurii n instalaia frigorific n sens invers tendinei normale, se realizeaz de ctre agentul frigorific. Agentul respectiv sufer o serie de transformri fizice condensare, vaporizare parcurgnd un proces ciclic.

    Rolul acestui agent este de a prelua cldura de la mediul ce trebuie rcit la o temperatur inferioar mediului ambiant, n vaporizator, i apoi de a o ceda la o temperatur ridicat mediului ambiant, n condensatorul instalaiei.

    Pentru instalaiile frigorifice cu comprimare mecanic alegerea agentului frigorific se face tinnd cont de mai multe aspecte proprieti termodinamice, tehnologice, ecologice i de securitate dar i economice, cum ar fi:

    Temperatura de vaporizare ct mai sczut; Asigurarea funcionrii la o presiune mai mare dect presiunea atmosferic; Cldura latent de vaporizare ct mai mare; Volumul specific al vaporilor aspirai n compresor ct mai mic; Temperatura de suprancalzire a vaporilor refulai de compresor ct mai mic; Raportul de comprimare ct mai cobort pentru asigurarea eficienei instalaiei; S asigure un comportament fizico-chimic corespunztor